Deeltjes kunnen tegelijkertijd als golven langs verschillende paden bewegen - dit is een van de belangrijkste bevindingen van de kwantumfysica. Een bijzonder indrukwekkend voorbeeld is de neutroneninterferometer:neutronen worden op een kristal afgevuurd, de neutronengolf wordt in twee delen gesplitst, die vervolgens weer op elkaar worden gesuperponeerd. Er kan een karakteristiek interferentiepatroon worden waargenomen, dat de golfeigenschappen van materie bewijst.

Dergelijke neutroneninterferometers spelen al tientallen jaren een belangrijke rol voor precisiemetingen en fundamenteel natuurkundig onderzoek. Hun grootte is tot nu toe echter beperkt geweest omdat ze alleen werkten als ze uit een enkel stuk kristal waren gesneden. Sinds de jaren negentig zijn er ook pogingen ondernomen om interferometers te maken van twee afzonderlijke kristallen, maar zonder succes. Nu heeft een team van TU Wien, INRIM Turijn en ILL Grenoble precies deze prestatie bereikt, met behulp van een uiterst nauwkeurig tip-tilt-platform voor de kristaluitlijning. Dit opent geheel nieuwe mogelijkheden voor kwantummetingen, inclusief onderzoek naar kwantumeffecten in een zwaartekrachtveld.

De eerste stap in 1974

De geschiedenis van neutroneninterferometrie begon in 1974 in Wenen. Helmut Rauch, jarenlang professor aan het Atoominstituut van de TU Wien, creëerde de eerste neutroneninterferometer van een siliciumkristal en was in staat om de eerste interferentie van neutronen in de Weense TRIGA-reactor waar te nemen. Een paar jaar later richtte de TU Wien een permanent interferometriestation op, de S18, bij 's werelds krachtigste neutronenbron, het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble. Deze setup is operationeel tot op de dag van vandaag.

"Het principe van de interferometer is vergelijkbaar met het beroemde experiment met dubbele spleet, waarbij een deeltje op een golfachtige manier in een dubbele spleet wordt geschoten, als een golf door beide sleuven tegelijk gaat en vervolgens op zichzelf superponeert, zodat daarna bij de detector ontstaat een karakteristiek golfpatroon", zegt Hartmut Lemmel (TU Wien).

Maar terwijl in het dubbelspletenexperiment de twee spleten slechts een minimale afstand van elkaar zijn, worden de deeltjes in de neutroneninterferometer gesplitst in twee verschillende paden met enkele centimeters ertussen. De deeltjesgolf bereikt een macroscopische grootte - niettemin wordt door de twee paden over elkaar heen te leggen een golfpatroon gecreëerd dat duidelijk bewijst dat het deeltje niet een van de twee paden koos, maar beide paden tegelijkertijd gebruikte.

Elke onnauwkeurigheid kan het resultaat vernietigen

De kwantumsuperposities in een neutroneninterferometer zijn extreem kwetsbaar. "Kleine onnauwkeurigheden, trillingen, verplaatsingen of rotaties van het kristal vernietigen het effect", zegt Hartmut Lemmel. "Daarom frees je meestal de hele interferometer uit een enkel kristal." In een kristal zijn alle atomen met elkaar verbonden en hebben ze een vaste ruimtelijke relatie met elkaar, zodat je de invloed van externe verstoringen op de neutronengolf kunt minimaliseren.

Maar dit monolithische ontwerp beperkt de mogelijkheden, omdat kristallen in geen enkele maat gemaakt kunnen worden. "In de jaren negentig probeerden mensen daarom van twee kristallen neutroneninterferometers te maken die dan op grotere afstand van elkaar konden worden geplaatst", zegt Lemmel, "maar dat is niet gelukt. De uitlijning van de twee kristallen tegen elkaar heeft niet de vereiste nauwkeurigheid bereikt."

Extreme eisen aan nauwkeurigheid

De eisen aan nauwkeurigheid zijn extreem. Wanneer een kristal van de interferometer een enkel atoom verplaatst, verschuift het interferentiepatroon met een volledige periode. Als een van de kristallen wordt gedraaid over een hoek in de orde van honderd miljoenste van een graad, wordt het interferentiepatroon vernietigd. De vereiste hoeknauwkeurigheid komt ruwweg overeen met het schieten van een deeltje van Wenen naar Grenoble en gericht op een speldenknop, 900 kilometer uit elkaar - of gericht op een afvoerkanaal op de maan.

The Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) in Turin provided the necessary technologies, which it had developed over decades in the field of combined optical and X-ray interferometry. Scanning X-ray interferometers also consist of separate silicon crystals and are similarly sensitive. The sensitivity to the spatial displacement of a crystal was used in Turin to determine the lattice constant of silicon with unprecedented accuracy. This result allows for the possibility of counting the atoms of a macroscopic silicon sphere, determining the Avogadro and Planck constants and redefining the kilogram.

"Although the required accuracy is even more severe for neutrons, what worked with separate crystal X-ray interferometers should also work with separate crystal neutron interferometers," says Enrico Massa from INRIM. With an additional built-in laser interferometer, vibration damping, temperature stabilization and INRIM's overseeing of the crystals' assembly and alignment, the collaboration has finally succeeded in detecting neutron interference in a system of two separate crystals.

Important for fundamental research

"This is an important breakthrough for neutron interferometry," says Michael Jentschel from the ILL. "Because if you can control two crystals well enough that interferometry is possible, you can also increase the distance and expand the size of the overall system quite easily."

For many experiments, this total size determines the accuracy that can be achieved in the measurement. It will become possible to investigate fundamental interactions with unprecedented accuracy—for example, the sensitivity of neutrons to gravity in the quantum regime and to hypothetical new forces.

The research was published in the Journal of Applied Crystallography . + Verder verkennen

One particle on two paths:Quantum physics is right